Antenas 1

Información y material suplementario…
• Características elementales
• Antenas básicas: dipolo y monopolo (I)
• Antenas direccionales (Antenas II)
• Arreglos de antenas y tópicos avanzados (III)
¡Antenas!
1Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE Derechos Reservados ®

La antena tiene 2 propósitos principales:
:
• transformar un campo electromagnético en que
viaja en una línea de transmisión a una onda
electromagnética que viaja por el espacio libre y
• proveerle a esta onda una dirección
predeterminada de propagación.
2
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE Derechos Reservados ®

Las características y propiedades principales
descritas a continuación son:
• directividad y patrón de radiación,
• polarización,
• eficiencia y ganancia ,
• área efectiva,
• reciprocidad y
• potencia efectiva de radiación
3

λ/2
El dipolo
Antena Dipolo y su patrón de irradiación
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE 4

Una línea de transmisión de largo eléctrico λ/2 con
circuito abierto (sin carga) es presentada a continuación.
Línea de Transmisión de λ/2 y su distribución de I y V
λ/2
V
I

Si la mitad de una línea de transmisión es abierta y
cada conductor es doblado a 90o del punto de conexión
con la LT entonces tendríamos 2 conductores de λ/4 y
una antena de λ/2 con una impedancia de
73 + j42.5 Ω formando la antena dipolo (antena hertziana).
Si aun acortamos la LT un 5% podemos añadir en esta un
efecto capacitivo que cancela la parte imaginaria de la
antena dipolo. Esto cambia la impedancia de la antena a ~
67 - 70 Ω con un valor de impedancia imaginaria de casi 0 Ω.
6
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE Derechos Reservados

Una antena de λ/2 formando la antena dipolo, la
impedancia es de aproximadamente 73 + j42.5 Ω.
7
RL ≈ 73 Ω
real
ZL ≈ j43 Ω
imaginario
Zo ≈ 50 Ω

Bloque de pareo de impedancia puede componerse de:
• línea de transmisión λ/4
• transformador (balun)
• circuito LC o línea en paralelo que cancele
efecto inductivo.
RL ≈ 73 Ω
real
ZL ≈ j43 Ω
imaginario
Zo ≈ 50 Ω
Bloque de pareo de
impedancia
Una antena de λ/2 formando la antena dipolo, la
impedancia es de aproximadamente 73 + j42.5 Ω.

El tamaño de la antena es entonces fácil de determinar de
la siguiente manera.
𝐿 = 0.95 𝑋 0.5
𝑐
𝑓
= 0.475 𝑋
(3 𝑋 108)
𝑓
=
142.5 𝑋 106
𝑓
=
142.5
𝑓
(m)
λ/2
𝐿 =
468
𝑓
(pies)

Recuerde que una línea de transmisión tiene una impedancia de
valor cambiante a una señal de frecuencia conocida a medida que
nos movemos desde la carga al generador o viceversa.
circuito
abierto
fuente
hacia la
carga

Patrón de corriente y voltaje de una antenna dipolo con
tamaño propio para transmision efectiva (resonancia).
11
corriente I
voltaje V
línea de transmisión o “feed line”
antena dipolo

Todas las antenas tienen como característica principal un
patrón de irradiación. Este patrón de irradiación dibuja en qué
dirección es mas fuerte la recepción o transmisión de la antena.
~ (0.95) λ/2
ZL ≈ 70 Ω
Zo = 50 Ω
dipolo
lóbulo
“beamwidth”
~ 78o
La intensidad máxima es mayor que la intensidad de una antena isotrópica en esa misma dirección (1.64).
Este número es una proporción entre las intensidades máximas de las 2 antenas y se conoce como la
directividad de la antena.
El patrón aplica en
el espacio libre.

La directividad es una propiedad importante de
una antena y su valor determina su funcionalidad
o no para el uso y aplicación efectiva de esta.
• Su valor generalmente se presenta en dB (10 log 1.64) y
para el caso del dipolo tiene un valor de 2.15 dBi.
• La i en dBi es un suscrito usado para establecer la
comparación de valores de directividad usando como
referencia una antena isotrópica.
• Las antenas tienen, en general, directividades que van
desde los 2 dB hasta valores cercanos a 30 dB.

La directividad de una antena esta definida
como la comparación de densidad de potencia en una
dirección dada por cualquier antena con respecto
a la provista por una antena isotrópica.
dipolo
lóbulo
“beamwidth”
~ 78o

-3 dB
“beamwidth”
antena dipolo
Sobre-imposición simulada de patrón de irradiación
de antena isotrópica y antena dipolo.
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE Derechos Reservados ® 15
antena isotrópica
área de superficie de frente
de onda en antena isotrópica
antena dipolo
G = 1.64 , 2.15 dBi

Efectos de tierra (“ground”) en el uso
práctico de un dipolo
El patrón de irradiación de cualquier antena no puede ser
reproducida ignorando los efectos de:
• tierra cercana a la antena,
• de obstrucciones,
• de estado de la atmósfera,
• hora del día,
• el clima y
• muchos otros factores.

El patrón de irradiación de cualquier antena no puede ser
reproducida ignorando los efectos de:
• cercanía y conducción de superficie de planeta a la antena,
• de obstrucciones (edificios, montanas y otros),
• de estado de la atmósfera (ionización y minerales en flotación),
• hora del día (influencia del sol),
• el clima y mas ...

2.14 dBi
dBi
-3
6
3
0
λ/4 de tierra
λ/2 de tierra
“beamwidth”
λ/2
Patrón de antena dipolo con polarización vertical
“beamwidth” λ/4

Patrón de antena dipolo con polarización horizontal

https://i.stack.imgur.com/1SUW0.png
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE, Derechos Reservados ®
En el diagrama a la derecha se presentan
patrones de radiación para una antena dipolo
de polarización horizontal a diversas distancias
de una superficie moderadamente conductora
(o mejor) como la Tierra (“ground”).
¿Nota usted una secuencia en los patrones?
Observe la distancia a Tierra cada λ/2.

La antena monopolo (antena Marconi) consiste en el uso de un solo
elemento de transmisión alimentado por el generador y situado
(casi siempre) en polarización vertical sobre la tierra o una superficie
conductora.
λ/4
antena imagen
receptor
transmisor
Antena monopolo y efecto de antena imagen.

La impedancia de entrada de una antena monopolo es de 36.5 + j21.5 Ω
(aproximadamente la mitad del dipolo). Acortamos su largo físico un 5%
del largo de onda escogido y la impedancia se vuelve real y cercana a 43 Ω.
La ganancia de la antena aumenta aproximadamente unos 3 dB.
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE Derechos Reservados 22
λ/4
transmisor
antena imagen
receptor
Antena monopolo y efecto de antena imagen.
La impedancia de la antena es un factor de
importancia al momento de escoger la línea de
transmisión y/o el circuito (o pedazo de línea
extra) que logre el mejor pareo de impedancia.

En algunas aplicaciones es necesario usar un largo eléctrico menor a λ/4.
Pero este cambio añade un efecto capacitivo en la línea. Por ejemplo,
si la LT es de λ/8 la impedancia de entrada es aproximadamente 8 – j500 Ω,
este efecto capacitivo es suprimido con un inductor en línea con la LT).
23
antena (monopolo)
transmisor
linea de
transmisión
Antena monopolo con inductor variable
tierra o superficie de
moderada conductividad

https://www.pngwing.com/en/free-png-nuial
Antena monopolo y efecto de antena imagen. (Representación alterna)

Monoplo visto desde arriba
(polarizacion vertical)
Antena monopolo y uso de red reflectora
λ/4
transmisor
λ/4
λ/4
El efecto de monopolo imagen es magnificada en terreno “conductivo”
o mediante el uso de radiales de λ/4 o mas de largo y a distancia promedio
en su circumferencia de la misma magnitud aproximadamente..
Monoplo visto en
perspectiva (3D)

pérdidas
El hecho de que una antena irradie energía EM conlleva que la
energía enviada de un generador no regresa a este. Por lo tanto,
es absorbida por la carga o son pérdidas en la LT. En el caso de la
antena se tienen ambas, irradiación y pérdidas(estas últimas asociadas
al no pareo de impedancia y resistencia de material conductor).
Veamos:
PG = Prefl + Prad + Pcond
Pcond
Prad
PTPG
generador
Prefl
PT = Pcond + Prad
PT =Prefl + PG
PT

La antena tiene entonces una eficiencia dada, esto es,
no toda la energía que recibe es enviada al espacio libre
como es deseado. Esta eficiencia se computada como:
27
Pcond
Prad
PTPG
generador
Prefl PT = Pcond + Prad
PT = PG + Prefl
η =
𝑃 𝑟𝑎𝑑
𝑃 𝑇
=
𝑃 𝑟𝑎𝑑
𝑃 𝑟𝑎𝑑+𝑃 𝑐𝑜𝑛𝑑
=
𝑅 𝑟𝑎𝑑
𝑅 𝑇

Si la antena no tiene pérdidas su ganancia es
igual a la directividad de ésta. Pero esto es lo ideal.
En la práctica toda antena tiene pérdidas:
• óhmicas,
• otras por pérdidas no deseadas (por pobre diseño,
pobre construcción, etc….)
Todas estas pérdidas se incluyen en la eficiencia de la antena.
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE, Derechos Resevados ® 28
G = ηD

Esta ganancia es la “directividad” práctica de una antena al
incluirse la eficiencia real de esta.
Determinar la eficiencia de una antena es igual a la
determinación de la eficiencia de un amplificador o
las pérdidas de en un filtro o atenuador.
Preparado por Edwin G. Delgado; MSEE Derechos Reservados ® 29
eficiencia
G = ηD η =
𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃 𝑖𝑛
=
𝑃 𝑟𝑎𝑑
𝑃 𝑇

La ganancia GT en cualquier antena es de suma importancia para
determinar la potencia real enviada. Esta potencia es a presentada
para antenas isotrópicas excepto que se añade la ganancia de la
antena transmisora.
𝑃 𝐷 =
𝑃 𝑟𝑎𝑑
4𝜋𝑟2 =
𝑃 𝑇 𝐺 𝑇
4𝜋𝑟2 (W/m2)
donde la potencia de irradiación es la potencia total
suministrada (PT), multiplicada por la ganancia de la antena (GT).
Note que GT es ηD (eficiencia por directividad), su ausencia en ecuación
determinaría la densidad de potencia de la antena isotrópica.

¿Qué es el área efectiva de una antena receptora?
El área efectiva de captura de una antena es aquella área
alrededor de esta en la que la potencia enviada es recogida y
alimentada a la línea de transmisión conectada a la antena
(ignorando pérdidas y pareo de impedancia).
𝐴 𝑒𝑓𝑓 =
𝜆2 𝐺 𝑇
4𝜋
(m2)
Note que no depende directamente del tamaño de la antena.

32
Con las ganancias (GR, GT), distancia (r), largo de onda (λ) y
área efectiva (𝐴 𝑒𝑓𝑓) podemos determinar la potencia que es
recibida (PR) conociendo la potencia enviada (PT) de manera
efectiva por la antena transmisora.
𝑃𝑅 =
𝐴 𝑒𝑓𝑓 𝑃 𝑟𝑎𝑑
4𝜋𝑟2 =
𝐴 𝑒𝑓𝑓 𝑃 𝑇 𝐺 𝑇
4𝜋𝑟2 =
𝜆2 𝑃 𝑇 𝐺 𝑅 𝐺 𝑇
16𝜋2 𝑟2
Antena monopolo
Area efectiva
Esta área efectiva no necesariamente tiene
forma rectangular, es mas un frente de
área relacionada al patrón de irradiación
de cada antena en particular.

33
A distancia r de la antena emisora podemos determinar la
intensidad de campo eléctrico. Esta intensidad es dada por:
ℰ =
30𝑃 𝑟𝑎𝑑
𝑟
(V/m)
Note que Prad = PTη.
Antena monopolo
r

34
Antenas direccionales (Antenas II)
Las antenas direccionales son diseñadas para
proveer alta directividad en una o mas direcciones.
En general, la mayoría de estas están construidas con
un dipolo (o monopolo) como elemento activo de
transmisión y aumenta su directividad mediante el uso
de elementos pasivos reflectores, barreras parabólicas
reflectivas y redes de metal entretejido.

Antenas direccionales
Las antenas direccionales pueden ser divididas en
categorías o tipos:
• de polarización vertical/horizontal
• de polarización circular/elíptica
• Parabólica y tipo “horn”
• Microstrip/stripline/“patch antena”

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